Het wetenschappelijk onderzoeksteam van de Universiteit van Hiroshima in Japan heeft onlangs aangekondigd dat het met succes een nieuw proces heeft ontwikkeld voor het 3D-printen van hardmetaal, wolfraamcarbide-kobalt, waardoor een nieuwe weg wordt geopend voor de productie van hoogwaardige gereedschappen die onder extreme werkomstandigheden worden gebruikt. Deze doorbraak overwint een al lang bestaand sleutelprobleem op het gebied van additieve productie: hoe kunnen ultraharde composietmaterialen op complexe wijze worden gevormd zonder de interne structuur te beschadigen.

Het kernidee van het onderzoeksteam is om het materiaal onder gecontroleerde omstandigheden te laten ‘verzachten’, in plaats van volledig te smelten in de traditionele zin van het woord. Ze gebruiken een proces genaamd "hot-wire laserbestraling" om de wolfraamcarbide lasdraad met een laser te verwarmen tot een net plastische toestand, waardoor defecten worden geminimaliseerd en de extreem hoge hardheid behouden blijft. Verwacht wordt dat deze methode de manier zal veranderen waarop harde gereedschappen worden vervaardigd op gebieden als snijden, boren en technische constructies.

In tegenstelling tot het reguliere 3D-printen van metaal, waarbij doorgaans gebruik wordt gemaakt van volledig smeltend metaalpoeder of lasdraad, heeft het team van de Universiteit van Hiroshima een laser gebruikt om de wolfraamcarbide lasdraad nauwkeurig te verwarmen, zodat deze alleen een plastic in plaats van een gesmolten toestand bereikt. Deze temperatuurregeling vermijdt problemen zoals abnormale korrelgroei en afbraak van componenten die vaak voorkomen bij hoge temperaturen, waardoor de microstructuur van het materiaal wordt beschermd. Om een ​​betrouwbare metallurgische verbinding tussen de meerlaagse vormende structuren te bereiken, introduceerden de onderzoekers tijdens het printproces een laag op nikkel gebaseerde legering als tussenlaag om de algehele structuur dichter te maken.

Uit testresultaten blijkt dat de oppervlaktehardheid van de componenten die met dit nieuwe proces worden geproduceerd hoger is dan 1.400 HV, wat dichtbij het hardheidsniveau ligt van materialen van edelsteenkwaliteit, zoals saffier. Keita Marumoto, assistent-professor aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering van de Universiteit van Hiroshima, die de leiding heeft over het project, zei dat deze methode eigenlijk een nieuw idee is voor het vormen van metalen materialen. Hoewel het momenteel voornamelijk gericht is op gecementeerd carbide, vertegenwoordigd door WC-Co, wordt verwacht dat het in principe zal worden uitgebreid naar andere moeilijk te bewerken composietmaterialen.

Wolfraamcarbide-kobalt wordt veel gebruikt in industriële snijgereedschappen, boren en constructiegereedschappen vanwege de extreem hoge slijtvastheid en stabiele prestaties bij wrijving, hoge temperaturen en sterke mechanische belasting. Het is echter deze ‘bijna onkwetsbare’ eigenschap die het materiaal uiterst moeilijk maakt om met traditionele processen tot complexe vormen te verwerken. Momenteel is het gebruikelijk om het poeder in de mal te vullen en te sinteren, wat niet alleen de complexiteit van de geometrische structuur beperkt, maar ook een grote materiaalverspilling veroorzaakt. In theorie kan additive manufacturing zowel structurele complexiteit als materiaalgebruiksproblemen oplossen, maar alleen als het materiaal zelf het drukproces kan weerstaan.

De door het team van de Universiteit van Hiroshima voorgestelde oplossing bewandelt een middenweg tussen lassen en 3D-printen. Door het laservermogen en de draadaanvoersnelheid nauwkeurig aan te passen, verzachtten ze het hardmetaal net genoeg om laag voor laag gevormd te worden zonder de oorspronkelijke microstructuur te vernietigen. Dit gecontroleerde faseveranderingsproces remt niet alleen scheuren, maar handhaaft ook een redelijke verdeling van de kobaltbindingsfase in het materiaal, waardoor een evenwicht tussen hardheid en taaiheid behouden blijft.

Het onderzoeksteam benadrukte ook dat deze technologie nog steeds wordt verbeterd en dat ze het procesvenster blijven optimaliseren om restproblemen zoals lokaal kraken volledig te elimineren. De volgende stap zal zich richten op het verifiëren van de toepasbaarheid en stabiliteit van deze methode op complexere geometrieën. Zodra deze technische obstakels zijn opgelost, zal het in de toekomst werkelijkheid worden om industriële gereedschappen te produceren met complexe vormen, een lange levensduur en een efficiënter materiaalgebruik door middel van additieve productie. Dit is ook een doel dat ingenieurs al lang nastreven, maar ongrijpbaar waren bij het omgaan met ultraharde composietmaterialen.